CN109269452A - 一种基于dvs的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法 - Google Patents
一种基于dvs的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，本发明通过对数据的模型建立、数据分析、结果统计，可以较准确的计算出振动源(通常为施工作业器械)与监测通道(通常是光缆)之间的距离。本发明能够在事故发生之前就及时了解光缆沿途的施工情况，以便阻止可能发生的事故，减少光缆维护人员的工作负担。
Description
技术领域
本发明属于通信运维领域，特别涉及一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法。
背景技术
随着光纤通信技术的不断发展，在电信业务、电力系统通信等方面中应用越来越广泛。光纤通信传输业务已遍及电网通信、配网、监控监测、信息、自动化和继保等方面，发挥着举足轻重的作用。城市建设在带给电力通信网发展契机的同时，也对敷设的光缆安全提出了新要求。统计资料显示，仅仅是电信系统中，一个省会城市每年被施工破坏引起的光缆外力破坏事故就高达数百起；这些外破事故往往是野蛮施工所致，导致抢修工作困难重重，给光缆维护工作带来很大困难。
因此，针对这方面的困难，信通部门急需一种能够预防光缆外力破坏事故的方法，尽可能在事故发生之前就及时了解光缆沿途的施工情况，以便及时阻止可能发生的事故。
分布式光纤振动监测系统(DVS)是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统，可连续感知传输路径中振动动态参量的空间分布和时间变化信息，具有灵敏度高、全程无源、多点同时定位等优点。它利用了光脉冲宽度内的后向瑞利散射光之间的干涉效应，是一种将干涉效应和后向瑞利散射结合起来的新技术，很好的结合了二者高灵敏度和长距离分布式测量的优势。
但是受到“干涉衰落”这一因素的影响，DVS在空间上的幅度变化并不是均匀分布的——幅度在空间上存在较大的起伏：在幅度小的位置，信号解调的准确性也小，进而影响系统工作的可靠性。所以DVS系统中无法按照“三点定位”等传统的计算方法实现振动源(通常为施工作业器械)与监测通道(通常是光缆)之间的垂直距离。而施工作业器械与光缆之间距离是光缆维护人员最为关心的指标之一，现有的技术目前无法满足这一要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决光缆监测方面存在的问题，提供一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法。该计算方法通过分析光缆中光纤受到施工振动引起的信号特征，实现光缆附近作业器械与光缆垂直距离的实时监测。
本发明的技术方案是：
一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：分布式光纤振动监测系统(DVS)获取传感通道所处的环境状况，评估本计算方法的适用性；
步骤二：DVS根据振动波的衰减特性，选择振动波振幅谱计算模型，得到采样点处振幅谱与振动源间隔距离的分布方程；
步骤三：根据DVS监测到的传感通道中不同位置处特定频率段的振动波幅度，建立起传感通道中任意两个位置的振动幅度值之间的关系方程；
步骤四：根据步骤一、二、三，建立任意两个位置的振动幅度与垂直距离之间的关系方程；
步骤五：由于振动波传播的对称性，根据DVS监测数据中特定频段的振幅强度分布，通过非线性拟合得到振动源的中心点在待测通道上的投影位置，进而得到其偏离DVS在待测通道上与第一个取样点的距离a；
步骤六：根据步骤一、二、三、四、五，计算误差函数Err(x)，x为振动源与光纤之间的距离；
步骤七：根据步骤六，通过对满足要求的x进行筛选，进行振动源与监测通道之间距离的估算；
所述采样点处振幅谱与振动源间隔距离的分布方程满足：
其中，Am(F)为采样点处振幅谱强度,F为振动源函数；G0为包含几何发散、透射系数及反射系数影响在内的一个系数，r为监测通道中每一个采样点与振动源的直线距离，V为波传播速度，Q为品质因子，AmR(F)为接收器响应函数。
则取样点i、j与振源距离分别为ri、rj点的振幅谱比满足：
Gi、Gj是采样点i、j处包含几何发散、透射系数及反射系数影响在内的系数。
对于在每个采样响应均匀的传感器来说，有AmRi(F)＝AmRj(F)，故有
且对于均一介质，有
其中，η为与振动频率和传输介质相关的散射系数。故有
即
lnEi-lnEj≈λ(rj-ri)+2η(lnrj-lnri)
其中，为与传输介质、振动频率相关的吸收衰减系数，Ei、Ej分别为该两点处所对应的特定频率段的振动波的强度；η为与介质和振动波频率相关的散射衰减系数。在监测通道所处的介质也就是地表土层中，吸收衰减的影响远大于散射衰减，上述方程可以进一步简化：
lnEi-lnEj≈λ(rj-ri)
设监测通道与振动源之间的距离为x，则 其中a为振动源的中心点在待测通道上的投影位置偏离DVS在待测通道上ri侧第一个取样点的距离，可以通过数据的对称性通过非线性拟合得到，del_s为相邻两个取样点之间的距离间隔，则得到：
通过选择待测通道上不同位置处的信号，可以得到不同的方程，进而得到
式中，i′、j′分别代表与i、j不同的位置。由于只有一个未知数x，解方程可以求得结果，从而得到振动源与光纤之间的距离x。
但在实际求解过程中，由于DVS取样点测量误差与噪声的存在，上述方程式的精确求解几乎不可能。
因此，定义误差函数
以一定步长间隔输入x，计算Err(x)的结果。如果x满足条件
Err(x)＜δ
其中，δ为实际应用中能接受的误差，并对所得x的集合X进行统计分析，可得到较为鲁棒的振动源与光纤之间距离值x。
本发明的有益成果：本发明通过对DVS实时测量的数据进行分析和处理，可以实时计算出光缆路由附近施工作业器械与光缆之间的垂直距离，为光缆的安全运行提供实时预警服务，提高光缆运行可靠性、安全性。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施的流程图。
图2是本发明中振动源位置与待测通道上取样点之间的位置关系示意图。
图3是实际振幅强度通过非线性拟合的结果，可得到距离a示意图。
图4是误差函数曲线及有效数据的筛选结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1所示，本发明提供的一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，包括如下步骤：
步骤一：分布式光纤振动监测系统(DVS)获取传感通道的所处的环境状况，评估本计算方法的适用性；
步骤二：DVS根据振动波的衰减特性，选择振动波振幅谱计算模型，得到采样点处振幅谱与振动源间隔距离的分布方程；
步骤三：根据DVS监测到的传感通道中不同位置处特定频率段的振动波幅度，建立起传感通道中任意两个位置的振动幅度值之间的关系方程，振动源位置与待测通道上取样点之间的位置关系如图2所示；
步骤四：根据步骤一、二、三，建立任意两个位置的振动幅度与垂直距离之间的关系方程；
步骤五：参照图3所示，由于振动波传播的对称性，根据DVS监测数据中特定频段的振幅强度分布，通过非线性拟合得到振动源的中心点在待测通道上的投影位置，进而得到投影点与DVS在待测通道上最近取样点的距离a；
步骤六：根据步骤一、二、三、四、五，计算误差函数Err(x)；x为振动源与光纤之间的距离；
步骤七：根据步骤六，通过对满足要求的x进行筛选，进行振动源与监测通道之间距离的估算；
按照上述方法，所述步骤二的采样点处振幅谱与振动源间隔距离的分布方程满足：
其中，Am(F)为采样点处振幅谱强度,F为振动源函数；G0为包含几何发散、透射系数及反射系数影响在内的一个系数，r为监测通道中每一个空间点与振动源的直线距离，V为波传播速度，Q为品质因子，AmR(F)为接收器响应函数。
则采样点i、j与振源距离分别为ri、rj点的振幅谱比满足：
对于在每个采样点响应均匀的传感器来说，AmRi(F)＝AmRj(F)，故有
且对于均一介质，有
其中，η为与振动频率和传输介质相关的散射系数。故有
即
lnEi-lnEj≈λ(rj-ri)+2η(lnrj-lnri) (6)
其中，为与传输介质、振动频率相关的吸收衰减系数，Ei、Ej分别为该两点处所对应的特定频率段的振动波幅度强度；η为与介质和振动波频率相关的散射衰减系数。在监测通道所处的介质也就是地表土层中，吸收衰减的影响远大于散射衰减，方程(6)可以进一步简化：
lnEi-lnEj≈λ(rj-ri) (7)
设监测通道与振动源之间的距离为x，则 其中a为振动源的中心点在待测通道上的投影位置偏离DVS在待测通道上ri侧第一个取样点的距离，del_s为相邻两个取样点之间的距离间隔，a、i、j均为已知量。
式(8)中未知数只有x、λ。
通过选择待测通道上i′、j′为i、j不同位置处的信号，可以得到不同的方程，进而得到
式中，i′、j′代表与i、j不同的位置。
式(9)中，只有一个未知数x，解方程可以求得，从而得到振动源与光纤之间的距离。但在实际求解过程中，由于DVS取样点测量误差与噪声的存在，方程式(9)的精确求解几乎不可能。
因此，定义误差函数
以一定步长间隔输入x，计算Err(x)的结果。如果x满足条件
Err(x)＜δ (11)
其中，δ为实际应用中能接受的误差。对所得x的集合X进行统计分析，可得到较为鲁棒的振动源与光纤之间距离值x，一般可以选择有效数据X的中值数作为最终计算的结果。误差曲线及数据选择过程如图4所示。
Claims (6)
1.一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：分布式光纤振动监测系统(DVS)获取传感通道所处的环境状况，评估本计算方法的适用性；
步骤二：DVS根据振动波的衰减特性，选择振动波振幅谱计算模型，得到采样点处振幅谱与振动源间隔距离的分布方程；
步骤三：根据DVS监测到的传感通道中不同位置处特定频率段的振动波幅度，建立起传感通道中任意两个位置的振动幅度值之间的关系方程；
步骤四：根据步骤一、二、三，建立任意两个位置的振动幅度与垂直距离之间的关系方程；
步骤五：由于振动波传播的对称性，根据DVS监测数据中特定频段的振幅强度分布，通过非线性拟合得到振动源的中心点在待测通道上的投影位置，进而得到其偏离DVS在待测通道上与第一个取样点的距离a；
步骤六：根据步骤一、二、三、四、五，计算误差函数Err(x)，x为振动源与传感通道之间的垂直距离；
步骤七：根据步骤六，通过对满足要求的x进行筛选，进行振动源与监测通道之间距离的估算。
2.根据权利要求1所述的一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，其特征在于：振幅谱与振动源间隔距离的分布方程为：
其中，Am(F)为采样点处振幅谱强度，F为振动源函数，G0为包含几何发散、透射系数及反射系数影响在内的一个系数，r为监测通道中每一个采样点与振动源的直线距离，V为波传播速度，Q为品质因子，AmR(F)为接收器响应函数。
3.根据权利要求2所述的一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，其特征在于：传感通道中任意两个位置的振动幅度值之间的关系方程为：
lnEi-lnEj≈λ(rj-ri)
其中，Ei、Ej分别为i、j两点处所对应的特定频率段的振动波的强度，λ为与传输介质、振动频率相关的吸收衰减系数，ri、rj分别为传感通道中i、j点与振动源的直线距离。
4.根据权利要求3所述的一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，其特征在于：建立振动幅度与距离之间的关系方程为：
其中，Ei、Ej分别为i、j两点处所对应的特定频率段的振动波的强度，λ为与传输介质、振动频率相关的吸收衰减系数，x为振动源与传感通道之间的垂直距离，i、j分别为两个取样点，del_s为相邻两个取样点之间的距离间隔。
5.根据权利要求4所述的一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，其特征在于：所述误差函数可表示为：
x振动源与光纤之间的距离，λ为与传输介质、振动频率相关的吸收衰减系数，del_s为相邻两个取样点之间的距离间隔，i、j分别为两个取样点，Ei、Ej分别为i、j两点处所对应的特定频率段的振动波的强度，i′、j′分别代表与i、j不同的位置，Ei′、Ej′分别为i′、j′两点处所对应的特定频率段的振动波的强度。
6.根据权利要求5所述的一种基于DVS的振动源与传感通道垂直距离的近似计算方法，其特征在于：通过所有满足Err(x)＜δ这一条件的x集合X进行统计分析，可得到较为鲁棒的振动源与光纤之间距离值x，δ为实际应用中能接受的误差。
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